新型原位钻孔剪切试验方法简介
发布时间:2018-11-28
作者:郑江
(广州欧美大地仪器设备有限公司 510030)
 
摘要:土的抗剪强度指标是研究土体力学性能、进行工程设计的重要参数。对于传统测得土体抗剪强度的试验方法的不足,工程科技人员发明了原位钻孔剪切试验方法。原位钻孔剪切试验自1986年发明以来,随着近30年的发展,已经开展了超过好几千个试验。各种类型的自然状态或者人工填土以及其它材料都被测试过。本文先总结了钻孔剪切试验的发展现状,然后介绍了钻孔剪切试验的试验原理、试验装置、试验方法及步骤、数据处理以及相关特征曲线的绘制等,最后通过两个工程实例说明了钻孔剪切试验的可靠性。试验表明进行原位直剪强度测试是可行的,剪切强度指标(c和ϕ)可以通过先研究建立可信的土体相关关系然后得到。本文详细介绍了钻孔剪切试验方法,通过分析比较,得出了有用的结论,为这种方法的推广和研究提供思路。
 
关键词:原位钻孔剪切抗剪强度
 
1 前言
        土的抗剪强度是指土在外力的作用下抵抗剪切破坏的极限能力,它是由颗粒之间的内摩擦角及由胶结物和束缚水膜的分子引力所产生的粘聚力两个参数组成。
        在法向应力变化范围不大时,抗剪强度与法向应力的关系近似成为一条直线。其表达式称为库仑定律:
 
τ=c+N tan⁡φ (kPa)
 
        式中:T—抗剪强度(kPa);c—粘聚力(kPa);N一正应力(kPa);φ一内摩擦角(°)。
        土的剪切试验得出的值在公路、铁路、机场、港口、隧道和工业与民用建筑方面得到广泛应用,常用到挡土墙、桩板墙、斜坡稳定以及地基基础等各种工程设施的设计中,例如土压力计算、斜坡稳定性评价、滑坡推力计算、铁路和公路软土地基的稳定性、地基承载力的计算等等。
        传统的测量土体抗剪强度的方法主要有室内直接剪切试验、三轴剪切试验、十字板剪切试验等。直接剪切试验仪器构造简单,操作方便,但是剪切面不一定是试样抗剪能力最弱的面,剪切面上的剪应力分布不均匀,而且受剪切面的面积愈来愈小,不能严格控制排水条件,测不出剪切过程中孔隙水压力的变化。三轴剪切试验的优点是试验中能严格控制试样排水条件及测定孔隙水压力的变化,应力状态比较明确,除抗剪强度外,能测定其它指标,缺点是操作复杂,所需试样较多,主应力方向固定不变,而且是在假设σ2 = σ3的轴对称情况下进行的,与实际情况尚不能完全符合。无侧限压缩试验仪器构造简单、操作方便,但是对试样制备要求较高,使用范围有一定的局限性。十字板剪切试验能在现场快速测定饱和粘性土不排水强度,但是十字板试验的适用范围较小,较适合于软粘土,对硬塑粘性土和含有砾石杂物的土不宜采用。
        鉴于传统试验方法的种种不足,工程科技人员研制出了一种新型岩土体抗剪强度原位测试方法——钻孔剪切试验。钻孔剪切试验仪可以在现场钻孔中或人工手扶钻机甚至人工手钻钻成的孔中直接进行试验,经计算即可得到孔中相应部位土的粘聚力(c)和内摩擦角(φ)。该试验方法对土的扰动小,具有原位测试的优点。仪器轻便、便于携带、操作简单。
 
2 钻孔剪切试验技术的发展
        在大型岩土工程中,需要进行大量的地质钻孔,进行工程地质勘探,但是在巨大的经费代价下取得的钻孔,仅仅是对得到的岩芯进行编录,导致这些宝贵的钻孔利用率不高。因此,在国内外岩土工程师的努力下,研发了一系列利用这些钻孔进行岩土力学特征研究的试验设备,例如工程上经常用到的钻孔声波测试仪、钻孔弹模仪等等,相对技术发展比较成熟。但是目前在利用岩土钻孔进行剪切试验的设备很少,在期刊杂志上鲜见报道。
        1986年,法国APAGEO公司研制出了利用现场地质钻孔,进行孔内原位直接剪切试验的设备——钻孔剪切仪(PHICOMETER)。从那时起,已经在全世界范围了开展了好几千个试验,各种类型的自然状态或者人工填土以及其它材料都被测试过。这些土和材料包括:粗土、难以取样的细砂、石灰和水泥处理过的土、压缩的城市固体废弃物、城市固体废弃物燃烧产生的灰渣。在法国、墨西哥、卢森堡、刚果等很多国家都有应用。
        钻孔剪切试验仪研制成功后,由于其能够在工程现场利用已有的岩石钻孔快速得到岩石的抗剪强度参数,因此在美国、日本等一些国家相关的实际工程勘察设计中得到了应用,取得了重要的工程应用经验。
        我国在2006年修订的《工程地质手册中》也明确提到了钻孔剪切仪,并指出:“其最大的优点是操作简单,可重复性较高。……钻孔剪切试验目前在我国还尚未见有实用报道”。最近,国内的一些科研人员开始接触到钻孔剪切仪,包括一些高校、研究院所。将其应用于工程实际。
 
3 钻孔剪切试验仪器及试验方法
3.1试验原理
        钻孔剪切试验是将一个带有水平环形钢齿的探头,放置在一个直径63mm的钻孔中。通过膨胀探头,施加径向的压力σ,水平钢齿就会插入到孔壁的岩土体中。钻孔剪切试验的基本原理如图1所示。
 


图1 钻孔剪切试验基本原理
 
        径向压力σ作用的表面积为S:
 
S=πdl
 
        其中,d=钢齿的直径,l=钢齿范围的长度。
        保持径向压力σ不变,向上拉起探头,对孔壁岩土体进行剪切,拉力为T,从而可以计算出土体的抗剪强度:
 
τ=T/S=T/πdl
 
        如此这样,每一步加载都能计算出一对(σ i  , τ i )值。通过将这些有意义的成对的值描绘到坐标轴中可以得到一条直线,可以通过这条直线得到剪切参数c和ϕ值,这个与库仑包络的粘聚力和摩擦角相符。这些原位剪切参数称为粘聚力ci和摩擦角ϕi,它们只是过渡值,可以通过这两个值导出常用的抗剪强度参数值(Philipponnat and Zerhouni, 1993)。
 
3.2试验装置
        钻孔剪切仪包含以下四个部分:探头、钻具、地面设备、辅助工具(如图2所示)。
 

图2 钻孔剪切仪试验装置
 
        (1)探头。探头由一个单一的可膨胀的元件组成,内部有一个特殊的开缝的管,这个特殊的开缝管由以下几部分组成:①中心区域由几个坚硬的壳组成,这些壳上装有水平的齿,这个是主要的测量装置。②两个外部区域由几个薄的长条组成,薄条像弹簧一样工作。
        (2)钻具是由直径 32mm 的风钻钻机杆组成的,至少是最顶端的那根钻孔调节杆必须整个长度布满螺纹。一套标准的顶端钻孔调节杆至少由以下 3 种规格组成:①1×0.4m长杆;②1×0.8m长杆;③1×1.2m 长杆。
        (3)地面设备包括:①拉力系统。由千斤顶提供拉力,通过拉力表测得拉力值。②压力-体积控制单元。通过压力-体积控制单元控制探头的压力和膨胀量。③垂直方向变形测量系统。通过千分表测量垂直位移。
        (4)辅助工具包含游标卡尺、手动真空泵等。
 
3.3试验方法步骤
        (1)钻孔。钻孔的质量是进行准确测量的一个最根本的控制因素,表 1 是根据土体类型给出的建议。钻孔直径dt 必须在以下范围之内:
 
62mm<dt<65mm
 
钻孔的长度一定不能超过测试深度 1.5 米。在颗粒土中,需要使用浓泥浆对钻孔进行护壁,护到测量深度上方 1m 处。建议每次测试时,只需将钻孔钻到需要的深度。
        (2)探头校准。将探头竖直放置在压力-体积控制单元旁边,测出探头的中部高度 Zs 和千分表的高度 Zc 。体积按照每级100cm 3 增量逐步地从 200cm 3 增加到600cm 3 。在每一步中,通过压力表读出相应的压力 pr , 同时用游标卡尺测出第五个或者第六个钢齿的外直径 ds(毫米)。绘制出修正曲线。修正的压力 Pe 通过公式 Pe=Ph+Pr 计算得到,Ph 代表由于探头和中央测量装置间的升高产生的流体静压力,Ph=10*(Zc-Zs)。
        (3)安装设备,测出钻孔中的水位高度,将探头下放到想要的深度。
        (4)仪表初始化。包括测压元件、千分表、计时表初始化。
        (5)膨胀探头,刺入土体,进行测量。
        (6)试验完成,卸去压力,收回探头。
        操作示意简图如下图3。
 
 


图3钻孔剪切试验测试原理示意图
a:钻孔及安放套管;
b.将探头放到测试的深度
c.径向扩张探头进行测量
d.在持续的径向压力下向上拉探头
 
3.4数据处理
        (1)数据校准
        绘制曲线: V=f(p) 和 V=f(d)。这里,p代表校准压力,d 代表探头的外直径。可以使用一个曲线调整程序进行优化, V=f(p)曲线是一个指数函数, V=f(d)曲线是一个线性函数。
        (2)修正的正应力pc、剪应力T的计算
        对于每个加载步骤,修正的正应力、pc,施加到土体上的力按下式计算:
        ①如果钻孔从孔口到测试位置是干的:
        pc = pM + (zc - zs) x Γw – pe
        ②如果钻孔充满了水或者泥浆:
        pc = pM + (zc - zw) x Γw - pe
        在这里:
          pM代表压力表上的读数;
          zc、zs、zw分别代表控制单元、探头和水位的高度;
          pe代表从与 VF 相符的标准曲线上读出的标准压力;
          Γw代表水的密度=10 kN/m 3
        在一些加载步骤中,剪切破坏的强度,t,按照下式计算:
        t = Tmax/S
        这里,Tmax代表加载过程中测得的最大拉力;S 代表剪切表面的面积。
        S = π .d . L
         L 代表探头的有效长度,对于标准探头,L=23cm;直径 d,从与体积 VF 相符的标准曲线上读出。
        (3)蠕变和膨胀计算
        对于每一加载步骤,均可以获得以下内容:
        ——增压过程中的蠕变,dVD,等于旁压蠕变:
dVD = VD1' - VD30"
        ——剪切过程中,探头的体积增大带来的剪胀:
VF - VD = VF - VD1
 
3.5 绘图
        (1)辅助绘图。可以绘出下面的曲线:
        dVD体现了 pc 的作用,此曲线称为“蠕变曲线”。VF – VD 体现了 pc 的作用称为“膨胀曲线”。V 体现了 pc 的作用,它凸显了每一加载步的 VD1' 和 VF。
        从这些图中,任何最终的异常都可以看到,通过观察,可以将异常点从特征曲线上去掉。
        (2)特征曲线
        将成对的(t, pc)绘制到图上,自然会产生正确的堆点图形,可以绘出特征曲线,得到以下值:
        Φi=原位内摩擦角
        ci=原位粘聚力
        可以按照以下步骤进行计算:
        ①剔除异常点后,通过最小二乘法对土体特征曲线进行修正。
 
 
 
        这里,n 是点的个数。
        ②对于粘聚力接近于 0 的土,精确读数会导致获得的粘聚力小存在较小的偏差。为了避免这种情况,可以通过取平均值的方法重新调节参数特性,方法如下:
4 工程应用
4.1 城市固体废弃物测试结果
        随着经济的发展,城市化进程不断推进,居住于城市中的人越来越多。近些年来关于“垃圾围城”的新闻屡见不鲜,对垃圾填埋场的城市固体废弃物的岩土力学特征研究越来越紧迫了。在垃圾填埋场稳定性设计和管理的研究中,剪切强度的研究是必须的。城市固体废弃物的材料非常复杂,它们的成份随时间以及在不同的地方差异是很大的。它们的粒度不仅包含很大块的物体,还包含非常小的以及纤细的物体,这些会影响它们的剪切强度。
        图4是用钻孔剪切仪对一个垃圾填埋场的固体废弃物测得的结果,场地位于比利时某地,18m深处。这个试样已经按照垃圾处理的规定进行了压缩。
 


图4 18m深度城市压缩固体垃圾钻孔剪切试验结果
 
        在这幅图中,除了最开始的两个点,其它试验测得的点在同一条直线上,由此可以得到原位测试粘聚力为14kPa,摩擦角为33°。这些值与高剪切强度的材料相符,很像颗粒土的特征。
        采用同一种方法,进行另外一个测试,在14m深度进行(图5),得到了完全不一样的值,显示了测试区域固体废弃物的另外一种特征。原位粘聚力和摩擦角分别为26kPa和18°。在这个案例中,这种土的行为可以看作是与粘性土相同。
 


图5 14m深度城市压缩固体垃圾钻孔剪切试验结果
 
        这两个试验对同一种材料表现出了两种不同的行为,而且显示出了它们剪切特征较大的差异。因此,选择相应的特性和剪切强度的设计值时必须非常慎重,特别是在一些开展了很多个试验的案例中。
        图6中显示了这样的一个分布类型,图中所有原位剪切测试的测量值取自于同一个固体废弃物填埋场,具有代表性。
 


图6 同一个垃圾填埋场不同深度全部抗剪强度分布图
 
        从图中可以看出,这个压缩的城市固体垃圾的摩擦角为17 到 34°,粘聚力为30到50 kPa,这个为设计值。
 
4.2 固体废弃灰渣的研究
        工业中燃煤的燃烧产生大量的灰渣,根据相关的条例,一些灰渣可以用于建筑业,另外,也可以用于填埋场地。对于燃煤灰渣的岩土工程特性的研究越来越受到人们的关注。
        图7显示的是一个典型的钻孔剪切试验结果,这个试验是在一个燃烧灰堆的1.4m深度测试的。这些燃煤灰渣大约是一年前产生的,达到了某种固结的程度。
 


图7 燃煤灰渣填埋场一年后1.4m深度钻孔剪切试验结果
 
        从这幅图中可以看到,大多数的试验点在同一条直线上,由此可以得到摩擦角为42°,没有粘聚力,表现出了一种与粗颗粒材料相似的特征。
 
5 结论
        钻孔剪切试验是一种新的原位测试方法,可以在现场快速侧得岩土体的抗剪强度,试验结果可靠。相对于传统试验方法而言,钻孔剪切试验避免了传统试验的一些不足。避免了室内试验对试样的扰动、取样困难、设备操作复杂、试验时间长、使用范围小的缺点。
        原位钻孔剪切试验得到的特征值是一种“短期”型的特征值,是一种典型不排水抗剪强度测试方法。通过挑选一些原位钻孔剪切试验的结果,可以得到土和特殊材料的剪切强度,这些通常在实验室里难以实现,像粗土、成分混杂的城市固体废弃物、城市固体废弃物燃烧产生的灰渣、以及其它一些难以取得原封不动的试样的土等。
 
参考文献
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